吳 昊， 楊曉華

(長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

1 研究背景

黃土隧道富水地段圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生塌方、突水涌泥等施工地質(zhì)災(zāi)害。采用水泥水玻璃注漿加固黃土隧道是預防其災(zāi)害的常用方法。國內(nèi)許多學者對水泥水玻璃注漿加固效果進行了研究[1-5]。水泥水玻璃不同配合比漿液的凝膠時間的不同對隧道土體加固的效果影響明顯。大多數(shù)工程僅憑以往的工程經(jīng)驗來選擇漿液的配制及注漿參數(shù)[6-15]，往往造成方案設(shè)計不合理以及實際注漿量浪費。因此，對不同配比下漿液的凝膠時間規(guī)律及其加固黃土后復合土體的強度增長特性進行深入研究是很有必要的，可以為黃土隧道水泥水玻璃加固法提供合理的漿液配合比及重要的參數(shù)依據(jù)。

本文結(jié)合室內(nèi)試驗及現(xiàn)場模擬試驗，研究了漿液在不同配比下的凝結(jié)時間以及注漿加固時影響土體無側(cè)限抗壓強度的因素；基于現(xiàn)場模擬試驗，對注漿壓力、漿液擴散半徑及注漿加固后復合土體的強度進行了深入研究，旨在為黃土隧道施工災(zāi)害的處治方案提供參考。

2 水泥-水玻璃凝膠時間試驗研究

2.1 試驗方案

通過測定不同的水玻璃濃度、水灰比及水泥水玻璃體積比情況下漿液的凝膠時間，分析水玻璃濃度、水灰比及水泥水玻璃體積比對凝膠時間的影響，從而為黃土隧道注漿加固提供合理的漿液配合比，試驗制定配比方案如表1。

2.2 試驗方法

試驗具體步驟如下：將水泥漿液和水玻璃溶液分別置于兩個燒杯內(nèi)，首先將其中一個燒杯的液體倒入另一燒杯內(nèi)，緊接著將混合液體倒入之前的燒杯中，不停重復這一步驟，直至燒杯內(nèi)的液體凝膠，不再流動為止。從第一次合成混合液體開始計時到混合液體不再流動的時間即為凝膠時間。

2.3 試驗結(jié)果及分析

試驗測得的不同水泥水玻璃體積比及水灰比下漿液的凝結(jié)時間如表1所示。

表1 不同水泥水玻璃體積比及水灰比下漿液的凝結(jié)時間

分別繪制不同水灰比和不同水玻璃濃度下漿液的凝膠時間曲線圖，如圖1、2。

圖1 不同水灰比下漿液凝膠時間曲線

圖2 不同水玻璃濃度下漿液凝膠時間曲線

由圖1、2可以看出，水玻璃濃度、水灰比(W/C)和水泥與水玻璃體積比(C∶S)均對漿液凝膠時間有影響，同等W/C和C∶S情況下，隨著水玻璃濃度的增加，雙液漿的凝膠時間顯著增加；當水玻璃濃度及C∶S相同時，凝膠時間隨著W/C的增加而增加；當水玻璃濃度及W/C一定時，凝結(jié)時間隨著C∶S增大而減少。當C∶S為1∶0.5、水玻璃濃度為30° Be′、W/C為0.6∶1時，漿液凝結(jié)時間最短，為29 s；當C∶S為1∶1、水玻璃濃度為45° Be′、W/C為1∶1時，漿液凝結(jié)時間最長，為134 s。在實際工程注漿加固中，需考慮這些因素對凝膠時間的影響，才能制定合理的配合比。本文針對黃土隧道富水軟弱段土體加固處理推薦的合理配合比為：水灰比應(yīng)選取1∶1，水玻璃濃度取30～35° Be′，水泥水玻璃體積比取1∶1。

3 水泥-水玻璃漿液加固黃土試驗研究

提高圍巖強度是黃土隧道富水軟弱段進行水泥水玻璃注漿的主要目的。但現(xiàn)有研究中有關(guān)注漿加固土體后復合土的強度參數(shù)多憑借經(jīng)驗判斷。本文以漿液摻入率作為模擬注入率的指標，將重塑土與水泥及水玻璃進行拌合制樣，養(yǎng)護后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，分析漿液的摻入率、土樣的含水率、水玻璃濃度對其強度的影響。

試驗所用黃土呈褐黃色、略濕、均勻性和孔隙發(fā)育良好、含少量植物根系和蝸牛殼碎片，其基本物理性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗黃土的基本物理性質(zhì)

試驗中主要考慮黃土含水率、黃土密度、漿液摻入率及水玻璃濃度的影響因素。具體試驗參數(shù)如表3所示。對4種參數(shù)進行正交組合，共制備24個不同組合的試塊，養(yǎng)護完成后，采用萬能壓力機開展無側(cè)限抗壓強度試驗。

表3 試驗工況參數(shù)設(shè)計

試驗的步驟與過程按照圖3進行。

圖3 試驗步驟示意圖

試驗結(jié)果如表4所示。

通過分析表4的試驗結(jié)果得出，水泥-水玻璃加固黃土時， 土體的含水率、密度、水玻璃濃度及漿液摻入率對其強度有顯著影響。

(1)漿液摻入比的影響。從表4中可以看出，在土體含水率、密度及水玻璃濃度相同的情況下，試塊的無側(cè)限抗壓強度隨著漿液摻入比的升高而增大。當土體含水率為20%、密度1.6 g/cm3及水玻璃濃度為30° Be′時，漿液摻入比對土體無側(cè)限抗壓強度的影響最大，漿液摻入比由5%變?yōu)?0%、15%后土體的無側(cè)限抗壓強度分別提高了48.79%、120.56%。這主要是因為水泥含量是決定試件抗壓強度的主要因素，試件內(nèi)的水泥含量隨著漿液摻入比的增大而增大，試件的抗壓強度也會隨之變大。

表4 不同參數(shù)漿液加固黃土無側(cè)限抗壓強度 kPa

注：(1)水泥為425#普通硅酸鹽水泥； (2)試塊在室溫內(nèi)養(yǎng)護28 d。

(2)含水率的影響。當其他條件一定時，含水率20%土體的無側(cè)限抗壓強度高于含水率25%土體，這是因為當漿液加入土壤中，漿液中的水泥會產(chǎn)生水化作用，消耗土壤中的水分。當土體含水率過低時，漿液內(nèi)的水泥不能完全水解，使得水泥水化產(chǎn)物變少，導致加固土體無法達到預期的加固效果。反之，當土體的含水率過大時，會導致單位體積內(nèi)水泥水化產(chǎn)物過少，不能形成有效的整體強度，從而降低加固土體的強度。故理論上存在一個含水率閾值，當土體含水率小于該閾值時，無側(cè)限抗壓強度隨著含水率呈正相關(guān)關(guān)系；當含水率超過該閾值時，無側(cè)限抗壓強度含水率呈負相關(guān)系。由本次試驗可以看出，土體的含水率的理論閾值應(yīng)在25%以內(nèi)。

(3)密度的影響。其他條件相同時，土體無側(cè)限抗壓強度隨著密度的增加而增大。當土體含水率為20%、水玻璃濃度為35° Be′及漿液摻入比為10%時，密度從1.6 g/cm3變?yōu)?.8 g/cm3其抗壓強度增長率最小，為76.5%；當土體含水率為25%、水玻璃濃度為30° Be′及漿液摻入比為10%時，密度從1.6 g/cm3變?yōu)?.8 g/cm3其抗壓強度增長率最大，達到153.79%，可見密度對土體無側(cè)限抗壓強度影響較為顯著。

(4)水玻璃濃度的影響。土體抗壓強度之所以能夠得以加強主要因為溶液中與Ca2+產(chǎn)生硅酸鹽水化物增多而引起的。當土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3及漿液摻入比為10%時，水玻璃濃度對土體無側(cè)限抗壓強度的影響最小，濃度由30° Be′變?yōu)?5° Be′后土體的無側(cè)限抗壓強度提高7.47%；當土體含水率為25%、密度1.6 g/cm3及漿液摻入比為5%時，水玻璃濃度對土體無側(cè)限抗壓強度的影響最小，濃度由30° Be′變?yōu)?5° Be′后土體的無側(cè)限抗壓強度提高了57.86%。

試驗結(jié)果表明，土體含水率為25%、密度1.6 g/cm3、水玻璃濃度30° Be′及漿液摻入比為5%時，土體無側(cè)限抗壓強度最小，為49.6 kPa；土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3、水玻璃濃度35° Be′及漿液摻入比為15%時，土體無側(cè)限抗壓強度最大，達到297.5 kPa。

4 水泥-水玻璃漿液加固黃土室外模擬試驗

漿液擴散方式、擴散半徑及注漿后加固效果在實際工程中都并無固定得標準。通過設(shè)計室外模擬試驗，能夠更好地觀測雙液注漿時漿液在隧道軟弱段中的擴散情況及探究注漿加固效果。該試驗中主要考慮注漿量、注漿壓力、漿液擴散半徑等參數(shù)，以便更深入地了解注漿技術(shù)，為注漿設(shè)計和施工提供參考。

4.1 試驗?zāi)Ｐ图安牧?/h3>

(1)在試驗場地上開挖一個滿足試驗要求的試坑，尺寸為2 m×2 m×1.5 m。

(2)本次試驗用采用Φ30 mm、厚度2.5 mm、L(長度)30 mm的無縫鋼管作為注漿用花管。注漿眼在管壁呈螺旋式分布，每個截面取一個孔眼，孔眼軸線間距為20 cm。

(3)注漿設(shè)備主要包括注漿泵、攪拌機、膠管、貯漿桶、混合器、止?jié){塞等。采取雙液系統(tǒng)注漿。

(4)試驗材料使用的注漿材料為425#普通硅酸鹽水泥和水玻璃，試驗樣土取自西安渭河北岸涇渭新區(qū)。

4.2 試驗方法及步驟

本次注漿模擬試驗采用水灰比為1∶1，水泥水玻璃體積比為1∶1，水玻璃濃度為35° Be′的水泥水玻璃注漿；填土密度為1.78 g/cm3，含水率為22.5%。注漿時間為30 min，注漿量413 L，注漿壓力控制在0.2～1.5 MPa之間，根據(jù)試驗進行調(diào)整。

注漿注漿前對土體進行平面載荷試驗，分8級加載(每級荷載加載15 min，持續(xù)2 h)選用直徑為56.4 cm(面積為2 500 cm2)的承壓板；注漿28 d后在試驗面對稱選取3個試樣點分別進行平板載荷試驗，主要步驟如圖4所示，平板載荷試驗試點選取如圖5所示。

4.3 試驗結(jié)果分析

漿液擴散示意圖如圖6所示，開挖效果圖如圖7所示。漿液擴散大部分在700 mm以內(nèi)，其中試坑上部分局部可到達900 mm。由平板載荷試驗繪出其P-S曲線，如圖8所示。

圖4 試驗步驟示意圖

圖5 平板載荷試驗試點位置示意圖

圖6 土體中漿液擴散示意圖

圖7 漿脈示意圖

圖8 平板載荷試驗P-S曲線圖

根據(jù)P-S曲線，未加固土的極限荷載為100 kPa，由直線段斜率計算得到其變形模量為8.87 MPa；注漿后土體的極限荷載為300 kPa，其變形模量為21.48 MPa。

5 結(jié) 論

(1)水泥-水玻璃漿液可以通過調(diào)整配比的方法獲得不同的凝膠時間，較單液注漿加固，其具有時間短且可準確控制的優(yōu)點。在加固黃土隧道富水軟弱段時，水泥-水玻璃漿液的配比應(yīng)為：水灰比為1∶1，水玻璃濃度為 30～35°Be′，水泥水-玻璃體積比為 1∶1。

(2)水泥-水玻璃注漿加固效果受到了漿液摻入比、土樣含水率、土樣密度、水玻璃濃度以及水泥漿與水玻璃體積比的影響。其中漿液摻入比對土體的無側(cè)限抗壓強度的影響最大，水玻璃濃度對土體無側(cè)限抗壓強度的影響最小。當土體含水率為20%、密度1.8 g/cm3、水玻璃濃度35°Be′和漿液摻入比為15%時，土體的無側(cè)限抗壓強度最大，達到297.5 kPa。

(3)結(jié)合之前室內(nèi)試驗的結(jié)果，通過現(xiàn)場模擬試驗，得到了水泥-水玻璃混合雙液注漿的技術(shù)參數(shù)，可為水泥水玻璃加固黃土隧道富水軟弱段提供參數(shù)依據(jù)。

(4)在現(xiàn)場試驗中并未考慮實際土體中的顆粒粒徑和滲透系數(shù)，對土體的密度以及孔隙率也只是大體估計，以后可以做進一步研究。